Реляционная модель - совокупность данных, состоящая из набора двумерных таблиц. В теории множеств таблице соответствует термин отношение (relation), физическим представлением которого является таблица, отсюда и название модели – реляционная. Соответственно теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики, как теория множеств и логика первого порядка. В сравнении с иерархической и сетевой моделью данных, реляционная модель отличается более высоким уровнем абстракции данных. Реляционная модель является удобной и наиболее привычной формой представления данных, так в настоящее время эта модель является фактическим стандартом, на который ориентируются практически все современные коммерческие СУБД. На реляционной модели данных строятся реляционные базы данных.
Реляционная модель данных включает следующие компоненты:
Структурная часть
Структурная часть (аспект), отвечает за принцип построения структуры реляционной базы данных на нормализированном наборе n-арных отношений, в форме таблиц. Важно что реляционная база данных, структурно может представляться только в виде отношений.
Манипуляционная часть
В манипуляционной части модели утверждаются операторы манипулирования отношениями - реляционная алгебра и реляционное исчисление. Первый механизм базируется в основном на классической теории множеств (с некоторыми уточнениями), а второй - на классическом логическом аппарате исчисления предикатов первого порядка. Основной функцией манипуляционной части реляционной модели является обеспечение меры реляционности любого конкретного языка реляционных БД: язык называется реляционным, если он обладает не меньшей выразительностью и мощностью, чем реляционная алгебра или реляционное исчисление.
Целостная часть
В целостной части реляционной модели данных фиксируются два базовых требования целостности, которые должны поддерживаться в любой реляционной СУБД. Первое требование называется требованием целостности сущностей. Объекту или сущности реального мира в реляционных БД соответствуют кортежи отношений. Конкретно требование состоит в том, что любой кортеж любого отношения отличим от любого другого кортежа этого отношения, т.е. другими словами, любое отношение должно обладать первичным ключом. Как мы видели в предыдущем разделе, это требование автоматически удовлетворяется, если в системе не нарушаются базовые свойства отношений.
Второе требование называется требованием целостности по ссылкам и является несколько более сложным. Очевидно, что при соблюдении нормализованности отношений сложные сущности реального мира представляются в реляционной БД в виде нескольких кортежей нескольких отношений. Требование целостности по ссылкам, или требование внешнего ключа состоит в том, что для каждого значения внешнего ключа, появляющегося в ссылающемся отношении, в отношении, на которое ведет ссылка, должен найтись кортеж с таким же значением первичного ключа, либо значение внешнего ключа должно быть неопределенным (т.е. ни на что не указывать).
Впервые принципы реляционной модели были сформулированы в 1969—1970 годах Э. Ф. Коддом (E. F. Codd). Идеи Кодда были впервые публично изложены в статье «A RelationalModelofDataforLargeSharedDataBanks». Современную трактовку идей реляционной модели данных можно найти в книге К. Дж. Дейта. «C. J. Date. AnIntroductiontoDatabaseSystems»
Достоинства и недостатки реляционной модели данных
Достоинства:
- Изложение информации в простой и понятной для пользователя форме (таблица).
- Реляционная модель данных основана на строгом математическом аппарате, что позволяет лаконично описывать необходимые операции над данными.
- Независимость данных от изменения в прикладной программе при изменении.
- Позволяет создавать языки манипулирования данными не процедурного типа.
- Для работы с моделью данных нет необходимости полностью знать организацию БД.
Недостатки:
- Относительно медленный доступ к данным.
- Трудность в создании БД основанной на реляционной модели.
- Трудность в переводе в таблицу сложных отношений.
- Требуется относительно большой объем памяти.
Структура данных в реляционной модели данных
Реляционная модель данных предусматривает структуру данных, обязательными объектами которой являются:
отношение;
атрибут;
домен;
кортеж;
степень;
кардинальность;
первичный ключ.
Отношение - это плоская (двумерная) таблица, состоящая из столбцов и строк:
| ID | Фамилия | Имя | Должность | г.р. |
| 1 | Петров | Игорь | Директор | 1968 |
| 2 | Иванов | Олег | Юрист | 1973 |
| 3 | Ким | Елена | Бухгалтер | 1980 |
| 4 | Сенин | Илья | Менеджер | 1981 |
| 5 | Васин | Сергей | Менеджер | 1978 |
Атрибут - это поименованный столбец отношения.
Домен - это набор допустимых значений для одного или нескольких атрибутов.
Кортеж - это строка отношения.
Степень определяется количеством атрибутов, которое оно содержит
Кардинальность - это количество кортежей, которое содержит отношение.
Первичный ключ - это уникальный идентификатор для таблицы.
Соответствие между формальными терминами реляционной модели данных и неформальными:
- отношение (формальный термин) - таблица (неформальный термин);
- атрибут - столбец;
- кортеж - строка или запись;
- степень - количество столбцов;
- кардинальное число - количество строк;
- первичный ключ - уникальный идентификатор;
- домен - общая совокупность допустимых значений.
Отношения и их реализация в реляционной модели данных
Отношение R на множестве доменов D1, D2, …, Dn - это подмножество декартова произведения этих доменов:
R ⊆ D1 × D2 × … × Dn
Пример 1. Определены домены: D1 - множество фамилий преподавателей, D2 - множество аудиторий, D3 - множество учебных групп, D4 - множество учебных дисциплин. Записать отношения: 1) закрепление преподавателей за учебными курсами; 2) расписание занятий в группах.
Решение.
1) закрепление преподавателей за учебными курсами:
R ⊆ D1 × D4.
Это отношение определяет множество преподавателей, ведущих множество учебных дисциплин.
2) расписание занятий в группах:
R ⊆ D2 × D3 × D4.
Это отношение определяет множество аудиторий, в которых проводятся занятия по множеству учебных дисциплин для множества учебных групп.
Свойства отношений:
- уникальное имя отношения;
- уникальное имя атрибута;
- нет одинаковых кортежей;
- кортежи не упорядочены сверху вниз;
- атрибуты не упорядочены слева направо;
- все значения атрибутов атомарные (нормализованное отношение).
Таким образом, реляционная база данных - это набор нормализованных отношений. Для того, чтобы перейти к видам отношений, введём понятие переменной отношения. Переменная отношения - это именованный объект, значение которого может изменяться с течением времени. Переменная отношения в разное время - это различные таблицы базы данных, у которых разные строки, но одинаковые столбцы.
Виды отношений:
- именованное отношение;
- базовое отношение;
- производное отношение;
- выражаемое отношение;
- представление (view);
- снимки (snapshot);
- результат запроса;
- промежуточный результат.
Именованное отношение - это переменная отношения, определённая в СУБД (системе управления базами данных) посредством оператора CREATE (CREATE TABLE, CREATE BASE RELATION, CREATE VIEW, CREATE SNAPSHOT).
Базовое отношение - это именованное отношение, которое не является производным. Существование базового отношения не зависит от существования других отношений.
Производное отношение - это отношение, которое определено через другие именованные отношения. Производное отношение зависит от существования других - базовых - отношений.
Выражаемое отношение - это отношение, которое можно получить из набора именованных отношений посредством некоторого реляционного выражения. Каждое именованное отношение является выражаемым отношений, но не наоборот. Примеры выражаемых отношений - базовые отношения, представления, снимки, промежуточные и окончательные результаты. Множество всех выражаемых отношений - это множество всех базовых и всех производных отношений.
Представление - это именованное производное отношение. Представлены в базе данных в виде определения. Представление не хранится в физической памяти системы управления базой данных (СУБД), а формируется с использованием других именованных отношений.
Снимки (snapshot) - это то же, что и представление, но с физическим сохранением и с периодическим обновлением.
Результат запроса - это неименованное производное отношение. СУБД не обеспечивает постоянного существования результатов запросов. Для сохранения результата запроса его можно присвоить какому-либо именованному отношению.
Промежуточный результат - это неименованное производное отношение, являющееся результатом подзапроса, вложенного в большее выражение.
Ключи отношения в реляционной модели данных
Ключи отношения могут быть следующими:
- суперключ;
- потенциальный ключ;
- первичный ключ;
- внешний ключ;
- суррогатный ключ.
Ключ отношения - это подсхема исходной схемы отношения, состоящая из одного или нескольких атрибутов, для которых декларируется условие уникальности значений в кортежах отношений. При объявлении схемы базового отношения могут быть заданы объявления нескольких ключей.
Ключ отношения может быть простым или составным. Простой ключ – это ключ, состоящий из одного и не более атрибута. Составной ключ -ключ, состоящий из двух и более атрибутов.
Суперключ- это атрибут или множество атрибутов, которое единственным образом идентифицирует кортеж данного отношения. Он может включать дополнительные атрибуты. Суперключ не обладает свойством неизбыточности.
Потенциальный ключ - это подмножество атрибутов отношения, удовлетворяющее требованиям уникальности и неизбыточности. Он обладает следующими свойствами. Уникальность: в таблице нет двух разных строк с одинаковыми значениями в нашем потенциальном ключе. Неизбыточность: нельзя убрать один из столбцов из ключа, так, чтобы он не потерял уникальности. В отношении может быть больше одного потенциального ключа.
Первичный ключ (primarykey, PK) - это один из потенциальных ключей отношения, выбранный в качестве основного ключа. Допустимо объявление одного и только одного первичного ключа. Атрибуты первичного ключа не могут принимать значения Null.
Внешний ключ (foreignkey, FK) - это ключ, объявленный в базовом отношении, который при этом ссылается на первичный того же самого или какого-то другого базового отношения.
Суррогатный ключ - это служебный атрибут, добавленный к уже имеющимся информационным атрибутам отношения. Предназначение суррогатного ключа - служить первичным ключом отношения. Значение этого атрибута генерируется искусственно.
Целостность данных в реляционной модели данных
Понятия реляционной целостности:
- определитель NULL;
- целостность сущностей;
- ссылочная целостность;
- корпоративные ограничения целостности.
Определитель NULL. Значение Null обозначает тот факт, что значение не определено. Null не принадлежит никакому типу данных и может присутствовать среди значений любого атрибута, определенного на любом типе данных. Двуместная «арифметическая» операция с Null даёт Null. Операция сравнения с Null даёт UNKNOWN.
Целостность сущностей. Требование целостности сущности означает, что первичный ключ должен полностью идентифицировать каждую сущность, а поэтому в составе любого значения первичного ключа не допускается наличие неопределенных значений. Значение атрибута должно быть атомарным.
Ссылочная целостность. Требование целостности по ссылкам состоит в том, что для каждого значения внешнего ключа, появляющегося в кортеже значения-отношения ссылающейся переменной отношения, либо в значении-отношении переменной отношения, на которую указывает ссылка, должен найтись кортеж с таким же значением первичного ключа, либо значение внешнего ключа должно быть полностью неопределенным. Существуют правила удаления кортежа из отношения, на которое ведет ссылка.
Ссылочная целостность: удаление кортежа. Существует три подхода удаления кортежа из отношения, на которое ведет ссылка.
1. Ограничение удаления–Delete: Restrict.
2. Каскадное удаление–Delete: Cascade.
3. Установка значения NULL, перевод значения внешнего ключа в неопределённое состояние – Delete: Set NULL.
Ограничение удаления. Запрещается производить удаление кортежа, для которого существуют ссылки. Сначала нужно либо удалить ссылающиеся кортежи, либо соответствующим образом изменить значения их внешнего ключа.
Каскадное удаление. При удалении кортежа из отношения, на которое ведет ссылка, из ссылающегося отношения автоматически удаляются все ссылающиеся кортежи.
Установка значения NULL. При удалении кортежа, на который имеются ссылки, во всех ссылающихся кортежах значение внешнего ключа автоматически становится полностью неопределенным.
